鈣鈦礦太陽能電池作為新一代太陽能電池正受到越來越多的關注。
使用優(yōu)點多
作為新一代太陽能電池，“鈣鈦礦太陽能電池”正備受關注。它能安裝在窗戶和墻壁上，還能在室內發(fā)電，由于使用方便，日本國內外都在加快推進研發(fā)以實現商用化。
太陽能電池用來制作的材料盡管多種多樣，但目前得以普及的太陽能電池中，95%以上是硅太陽能電池。
不過，硅如果太薄就會破裂，因此需要一定厚度。硅太陽能電池重量為平均每平方米10至15公斤，僅限于安裝在強度較高的建筑物頂或樓頂等地。由于復雜的制造工藝，成本高也是一個課題。
而鈣鈦礦太陽能電池解決了上述問題。鈣鈦礦是一種晶體結構，鈣鈦礦太陽能電池是利用碘、鉛等結晶形成的薄膜來發(fā)電。即使厚度僅為0.1微米，它也能進行發(fā)電。重量僅為硅的十分之一左右。
鈣鈦礦太陽能電池有很好的可彎曲性，可以安裝在過去難以放置的地點。只要在薄玻璃或塑料基板上涂上材料，就可以非常簡單并以很低成本制造出來。而且，即使是陰天或雨天，利用室內光線都能進行發(fā)電。
在受到光照的情況下，鈣鈦礦層會吸收光，電子會從原子中脫落，進而出現電子的空殼部分“空穴”。電子帶負電，“空穴”則帶正電。
鈣鈦礦層夾在電子傳輸材料和“空穴”傳輸材料之間。電子和“空穴”在鈣鈦礦內部分別向負極和正極方向擴散，分成兩側電極，從而進行發(fā)電。
鈣鈦礦太陽能電池的研發(fā)者之一是日本桐蔭橫濱大學特聘教授宮坂力，他原來的研究領域是使用色素和氧化鈦等材料發(fā)電。情況在2006年突然發(fā)生變化。當時還是研究生的小島陽廣說：“打算制造一種將色素換成鈣鈦礦的發(fā)電裝置。”鈣鈦礦太陽能電池的研究由此開始。
在2009年，用鈣鈦礦太陽能電池將光能轉換為電的轉換效率為3.8%，經過反復研究，轉化效率提高到了10.9%。2012年上述成果在《科學》雜志上發(fā)表后，這一技術在全球引發(fā)了研究熱潮。現在，鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率可以與硅型太陽能電池相匹敵，達到20.5%左右。
如果鈣鈦礦太陽能電池得以普及，人們就可以輕松地自己進行制作，還可以利用室內光照為智能手機充電。
宮坂描繪了這樣的未來：“如果安裝地點允許鈣鈦礦太陽能電池和硅太陽能電池協(xié)調共存，就會出現街上到處都有太陽能電池的社會，可能會形成電力自給自足的結構。”
全面推廣難
鈣鈦礦太陽能電池也面臨挑戰(zhàn)。一是它不耐水分和損傷，二是含有對人體有害的鉛。
京都大學教授若宮淳志的研究團隊使用毒性比鉛更低的錫進行研究開發(fā)，將鉛含量減少的部分換成錫，在2022年穩(wěn)定獲得了23.6%的轉換效率。
在歐洲，鉛的使用受到限制。若宮說：“為推動產業(yè)化，要求實現無鉛化。我們也希望推進不含鉛的高性能電池研究。”
日本國內外正在積極推進鈣鈦礦太陽能電池的商用化。據咨詢公司富士經濟預測，到2020年代中期將正式開始批量生產鈣鈦礦太陽能電池；到2035年，其市場規(guī)模將擴大到1萬億日元(約合67億美元)。
為了支持開發(fā)這項源自日本的技術，日本政府4月提出了在2030年之前普及鈣鈦礦太陽能電池的方針。但是，要實現批量生產還要解決以下幾個課題。
首先需要大面積均勻涂抹技術，涂抹不均勻會使質量下降。由于涂抹面積變大可能導致轉換效率下降，因此兼顧大面積和高轉換效率也很重要。在日本國內，積水化學工業(yè)、東芝、鐘化等公司正在進行研發(fā)。
鐘化還致力于開發(fā)硅太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池相疊加的“串聯(lián)型”太陽能電池。這兩種電池所吸收光的波長不同。兩種電池的組合，可以比一種電池吸收更大范圍波長的光，進而提高轉換效率。
相關驗證實驗也已經開始。以2025年開展這項事業(yè)為目標，積水化學工業(yè)今年春天將鈣鈦礦太陽能電池安裝在東京都污水處理設施的處理槽蓋上，截至2025年將對其轉換效率和耐用性進行調查。JR西日本公司的大阪地下車站廣場也計劃于2025年春天進行安裝并投入使用。
宮坂說：“材料可以在國內采購。剩下的就看能完成多大產量。”
日本在硅太陽能電池方面一直依賴從國外進口，但在鈣鈦礦太陽能電池的主要原料碘方面，產量位居世界第二。宮坂說，現在全世界大約有3萬多人在開展研究，相關開發(fā)正在加快。
他說：“對于日本，也許沒有比這更具吸引力的能源了。”
